面向移动设备的真实感图形处理系统设计与实现

论文摘要

随着各种移动通讯设备、移动娱乐设备以及移动数据处理设备的普及,真实感绘制技术也逐渐渗透到嵌入式领域。显示技术的发展使得移动设备的屏幕分辨率和显示质量越来越高,移动设备已经逐渐成为人们进行信息获取、信息处理、个人娱乐等的重要途径。因此,人们迫切的希望在移动设备上进行真实感的图形实时绘制,比如显示真实感的3D界面、运行真实感的3D游戏、浏览真实感的3D地图等等。移动设备对真实感绘制的迫切需求引起了人们的广泛关注。一些移动设备虽然可以利用软件模拟的方法实现简单的3D图形绘制功能,但是,由于真实感图形的绘制算法非常复杂,因此这种绘制方法不但占用了大部分的CPU资源,增加了CPU功耗,而且具有两个缺点:绘制质量差,只能绘制简单的图形;绘制速度低,无法达到实时绘制。针对这些问题,必须采用专用的硬件电路来实现移动设备的真实感图形处理系统。移动设备的真实感图形处理系统应具有快速的绘制单元,可以胜任真实感图形的实时绘制;而且,由于移动设备采用电池供电、并且存储器的带宽较小,因此移动设备的真实感图形处理系统应具有低功耗和低带宽的特点。针对移动设备对真实感图形绘制的迫切需求,以及移动设备对真实感图形处理系统提出的要求,本文将面向移动设备的真实感图形处理系统作为研究内容。本文的主要特色和创新如下:1)针对移动设备对真实感图形绘制的需求以及移动设备的特点,本文提出一种面向移动设备的真实感图形处理系统的模型和机制。该模型包括一个可编程的顶点处理器(Vertex Processing Unit,VPU)以及一个基于Tile绘制方法的光栅单元。该模型采用定点的数据通道以降低电路复杂度。采用基于Tile绘制的绘制方法大大减少了访问外部存储器的带宽,从而降低功耗。2)针对面向移动设备的真实感图形绘制系统的模型和机制的需求,本文提出了一种面向硬件的算法优化方案,用于指导面向移动设备的真实感图形处理系统的硬件设计。该方案采用了C语言进行仿真和验证,其中包括:坐标转换、光照算法和裁减算法、光栅扫描转换算法、全屏反走样算法、纹理贴图算法和隐藏面消除算法等。验证结果表明,我们的优化算法可以很好的完成真实感图形的绘制,绘制效果较好。3)真实感图形的绘制需要更复杂的转换模型和光照模型,针对这个需求,本文提出了面向移动设备的可编程顶点处理器的具体实现架构。该处理器可以随意改变转换模型和光照模型,更利于完成真实感图形的绘制。该处理器具有4路并行的SIMD运算单元;一个高精度的特殊功能函数求值单元:采用8级流水线设计,并具有数据旁路功能。该处理器处理速度快、精度高,为真实感图形的实时绘制提供保障。4)为了降低面向移动设备的真实感图形处理器的带宽,本文提出了一种基于Tile绘制的光栅单元的具体实现方法。基于Tile绘制的绘制方法将深度缓冲和颜色缓冲置于片内,大大减少了访问外部存储器的带宽,从而降低功耗。5)本文给出了面向移动设备的真实感图形处理系统的FPGA实现,并构建了一个基于SOPC的FPGA验证系统,并在这个验证系统下,对了面向移动设备的真实感图形处理系统进行验证。验证结果表明,本系统可以完成真实感图形的绘制工作,证明了本文提出的面向移动设备的真实感图形处理系统的模型和机制的有效性。当前,国外对面向移动设备的图形处理器已经展开了全面的研究,也在相关领域取得了一定的成就,但由于关键算法和硬件设计方案属于图形芯片厂家的核心技术,并受知识产权保护,因此相关资料非常匮乏。在这种情况下,开展面向移动设备的真实感图形处理系统的模型和机制的研究并实现一个具有独立知识产权的中国人自己的面向移动设备的图形处理器是非常有意义的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 3D图形绘制概述
• 1.2.1 3D图形绘制管线
• 1.2.2 3D图形绘制技术的发展
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文所做的主要工作
• 1.5 本文章节安排
• 1.6 本章小结
• 第二章 面向移动设备的真实感绘制的理论基础和研究方法
• 2.1 本章引言
• 2.2 几何部分关键算法分析
• 2.2.1 几何部分流程
• 2.2.2 坐标系
• 2.2.3 模型到观察坐标系变换
• 2.2.4 光照算法
• 2.2.5 雾化因子计算
• 2.2.6 投影变换
• 2.2.7 背向面剔除和视锥体裁减
• 2.2.8 屏幕坐标转换
• 2.3 光栅部分关键算法分析
• 2.3.1 光栅部分绘制流程
• 2.3.2 扫描转换与插值
• 2.3.3 纹理贴图
• 2.3.4 反走样
• 2.3.5 可见性测试
• 2.4 本章小结
• 第三章 面向移动设备的真实感图形处理算法的优化与软件建模
• 3.1 本章引言
• 3.2 软件模拟系统的整体设计
• 3.2.1 软件模拟系统的整体框架
• 3.2.2 OpenGL ES AP1接口
• 3.3 测试框架程序设计
• 3.3.1 测试框架程序的设计思路
• 3.3.2 3D场景的建立和读取
• 3.3.3 帧缓冲的显示和程序界面的设计
• 3.4 面向移动设备的真实感图形处理算法的定点化
• 3.4.1 定点数的定标
• 3.4.2 定点数的运算
• 3.4.3 面向移动设备的真实感图形处理算法中定点数的定标
• 3.5 面向移动设备的真实感图形处理算法的程序设计
• 3.5.1 设计思路
• 3.5.2 工作流程
• 3.6 面向移动设备的真实感图形处理算法的测试
• 3.6.1 坐标转换测试
• 3.6.2 光照算法的测试
• 3.6.3 雾化算法的测试
• 3.6.4 扫描转换与插值算法的测试
• 3.6.5 纹理贴图算法的测试
• 3.6.6 反走样的测试
• 3.7 本章小结
• 第四章 面向移动设备的真实感图形处理系统的模型和机制
• 4.1 本章引言
• 4.2 3D图形处理器的体系结构
• 4.2.1 3D图形处理器的功能划分
• 4.2.2 流水线处理模型
• 4.2.3 并行化处理模型
• 4.3 面向移动设备的真实感图形处理系统的架构优化
• 4.3.1 3D图形处理器的两种绘制模式
• 4.3.2 传统绘制架构与基于Tile的绘制架构的比较
• 4.4 面向移动设备的真实感图形处理系统几何单元的设计
• 4.5 基于TiIe的绘制架构的光栅单元的设计
• 4.5.1 基于Tile的绘制流程
• 4.5.2 三角面的分类方法
• 4.6 面向移动设备的真实感图形处理系统的的整体设计与带宽分析
• 4.6.1 整体设计
• 4.6.2 带宽分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 面向移动设备的可编程顶点处理器设计
• 5.1 本章引言
• 5.2 面向移动设备的可编程顶点处理器的整体架构
• 5.3 面向移动设备的可编程顶点处理器的指令设计
• 5.3.1 指令集的确定依据
• 5.3.2 VP1.0指令集
• 5.3.3 我们的指令集
• 5.3.4 指令功能
• 5.4.可编程顶点处理器的流水线设计
• 5.4.1 流水线整体设计
• 5.4.2 数据相关
• 5.5 面向移动设备的可编程顶点处理器的逻辑设计
• 5.5.1 内部框图与顶层接口
• 5.5.2 取指译码单元的设计
• 5.5.3 存储器单元的设计
• 5.5.4 旁路器的设计
• 5.5.5 运算单元设计
• 5.5.6 特殊功能单元的殴计
• 5.6 面向移动设备的可编程处理器的RTL实现和系统仿真测试
• 5.6.1 可编程顶点处理器的简单仿真
• 5.6.2 SFU单元的单独仿真
• 5.7 本章小节
• 第六章 基于Tile的光栅单元的设计
• 6.1 本章引言
• 6.2 光栅单元中的关键算法分析
• 6.2.1 三角面扫描转换算法
• 6.2.2 重心插值算法
• 6.2.3 透视校正插值
• 6.2.4 参数的位宽选择
• 6.3 基于TiIe的光栅单元的硬件设计
• 6.3.1 整体架构
• 6.3.2 光栅扫描转换模块的设计
• 6.3.3 纹理模块的设计
• 6.3.4 可见性测试模块
• 6.3.5 颜色缓冲管理模块
• 6.4 基于Tile的光栅单元的并行化设计
• 6.5 本章小结
• 第七章 面向移动设备的真实感图形处理系统的FPGA验证
• 7.1 本章引言
• 7.2 FPGA硬件平台的搭建
• 7.3 SOPC系统的搭建
• 7.4 可编程顶点处理器的FPGA验证
• 7.4.1 FPGA综合与VPUIP的建立
• 7.4.2 验证流程
• 7.4.3 可编程顶点处理器代码的编写与优化
• 7.4.4 可编程顶点处理器的验证结果
• 7.4.5 实验结果分析
• 7.5 面向移动设备的真实感图形处理系统的整体验证
• 7.5.1 光栅单元设备划分
• 7.5.2 显示系统的系统设计
• 7.5.3 验证结果
• 7.6 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 本文工作总结
• 8.2 未来研究方向
• 参考文献
• 发表的学术论文与科研情况
• 致谢